[交通运输]公共管理定量分析2 系统模型与系统分析.ppt

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1、第二章 系统模型与系统分析,2023/4/30,2,内容简介,要对复杂的公共管理和公共政策问题进行分析研究并得到科学的分析依据，就必须首先建立系统(数学)模型，然后借助模型对系统进行定量的或者定性与定量相结合的分析。因此，系统模型是公共管理定量分析的基础，系统分析和建模技术是公共管理人员必须掌握的手段。,2023/4/30,3,重点难点,系统模型与建模方法解决问题的“5W1H”霍尔的“三维结构”模式切克兰德的“调查学习”模式从定性到定量的综合集成方法关键词：系统模型 实体模型 文字模型 相似模型网络模型 逻辑模型 解析模型 白箱系统黑箱系统 灰箱系统 系统分析 图表模型综合集成 KJ法 目标手

2、段分析法,系统模型,2023/4/30,5,现实世界与系统模型,2023/4/30,6,一般模型：模型就是在一类系统A 中，寻求了一个系统Si，如果它和所测系统的输入和输出是等价时（在某种近似条件下），则称之为所测系统的系统模型。系统模型指以某种确定的形式（如文字、符号、图表、实物、数学公式等），对系统某一方面本质属性的描述。一方面，根据不同的研究目的，对同一系统可建立不同的系统模型，例如，根据研究需要，可建立RLC（无线链路控制）网络系统的传递函数模型或微分方程模型；另一方面，同一系统模型也可代表不同的系统，例如，对系统模型y=kx（k为常量），则：1、若k为弹簧系数，x为弹簧的伸长量，y为

3、弹簧力大小，则该模型表示一个物理上的弹簧运动系统；2、若k为直线斜率，x、y分别为任意点的横坐标和纵坐标，则该模型表示一个数学上过原点的直线系统。,系统模型的定义,2023/4/30,7,系统模型的特征：（1）它是现实系统的抽象或模仿；（2）它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的；（3）它集中体现了这些主要因素之间的关系。管理系统模型：利用图形、表格数据、文字材料和由设计变量、控制变量组成的数学表达式，以及计算机软件等来描述和抽象系统的本质，从而模拟系统行为特性的代替物。,系统模型的定义,2023/4/30,8,为什么要使用系统模型,模型的作用：可以对难以进行实体实验的系统进行预测和分析；可

4、以具体地反映出复杂问题的逻辑关系和数量关系；可以对系统进行优化，以及方案间的比较和优选。模型的意义：模型可以超脱现实而不受其约束，可以试验、优化，从而节省大量的人力、物力、财力和时间。,2023/4/30,9,为什么要使用系统模型,在公共管理中，广泛适用系统模型主要基于以下几方面考虑：系统开发的需要；经济上的考虑；安全性、稳定性上的考虑；时间上的考虑；系统模型容易操作。,2023/4/30,10,系统模型的分类抽象形式,实体模型：即系统本身，包括抽样模型。优点：比较形象，便于共同研究问题；缺点：不能说明内在的联系和数量关系，不能用于优化。比例模型：是对现实系统的放大或缩小。图示模型：用表格、图

5、形、曲线、符号等抽象和描述系统。优点：简单、直观；缺点：受变量数限制，不易优化。,2023/4/30,11,系统模型的分类抽象形式（续）,模拟模型：与现实系统具有共性的、可控的实体和条件，来模拟系统行为特性的模拟物或计算机软件。优点：可以解决用其他方法无法解决的问题，建模过程符合人们的一般思维，不要求过高的数学水平；缺点：要求对系统有全面、深入的了解；造价较高，一般是求得问题的近似解。数学模型：用数学符号和数学方程式来描述系统。优点：可以借助数学理论和方法分析问题，容易进行一般意义下的优化分析；缺点：要求对系统有全面、深入的理解；抽象程度较高，要求较高的数学知识。,2023/4/30,12,系

6、统建模方法,系统建模的要求可概括为：现实性简明性标准化系统建模的遵循原则是：切题 模型结构清晰 精度要求适当尽量使用标准模型。,2023/4/30,13,系统建模方法,根据系统对象的不同，则系统建模的方法可分为推理法实验法统计分析法混合法和类似法根据系统特性的不同描述，则系统建模的方法可以有状态空间法、结构模型解析法（ISM）以及最小二乘估计法（LKL）等。其中，最小二乘估计法（LKL）是一种基于工程系统的统计学特征和动态辨识，寻求在小样本数据下克服较大观测误差的参数估计方法，它属于动态建模范畴。,2023/4/30,14,建立模型的程序：以厂址选择为例,确定系统目标：在满足给定用户（m个）需

7、求的条件下使费用最低。调查系统的资源和环境：何处可以建厂，n可供选择的厂址数；各个用户的需求量，Di第i个用户的需求量；各点建厂的投资，Fj在j处建厂的投资；各点建厂的费用，Vj在j处建厂的单位变动费用；各点建厂的生产能力，Sj在j处建厂的生产能力；单位运价等，Ciji与j之间的单位产品运价。,2023/4/30,15,建立模型的程序：以厂址选择为例,抓住本质要素，研究它们之间的关系：设：Xij第j个厂家给第i个用户的产品量；设：Yj0在j处不建厂；1在j处建厂；,2023/4/30,16,建立模型的程序：以厂址选择为例,求解、分析和修正。利用混合规划求解；用较熟悉、类似的系统进行检验。,20

8、23/4/30,17,系统建模应遵循的原则,要有足够的精度：资料来源是否可靠；本质要素是否合理；要素之间的关系是否合理。清晰、明确：在满足精度要求的前提下尽量简化模型；能用简单方法解决的不用复杂方法。尽量采用标准形式，以便利用前人的成果。,系统分析,2023/4/30,19,系统分析的概念,系统分析是以系统工程的思想为指导，在选定系统目标和准则的基础上，通过调查系统的内外资源研究系统各组成要素之间、系统与环境之间的关系，来探求如何设计优化系统的全部过程。理解：指导思想：系统思想；目标和准则；内外资源；设计与优化过程。,2023/4/30,20,系统分析的要素,目标可行方案费用模型效果（用效益和

9、有效性来衡量）准则结论,2023/4/30,21,系统分析的要素,2023/4/30,22,系统分析的准则,系统要素同系统环境相结合；当前利益同长远利益相结合；分系统同整体系统相结合；定性分析同定量分析相结合：模型化；多方案比较、评价和选优。,2023/4/30,23,系统分析的特点,以整体效益为目标系统思想；以寻求解决问题的最佳策略为重点协调和优化；运用相关的科学分析方法运用模型，定性与定量分析相结合；凭借价值判断对未来事物发展的推断和态度。,2023/4/30,24,系统分析的内容,阐述系统目标系统分析的出发点；调查系统的环境系统存在于环境之中；调查系统资源只有清楚资源状况才能有效利用；研

10、究系统要素系统结构决定系统功能；实行系统管理对系统进行实施和运行维护。,2023/4/30,25,系统分析的要点,5W1H:What,Why,When,Where,Who,How,2023/4/30,26,系统分析的要点：案例,核电厂建设见教材P18-19,2023/4/30,27,系统分析的程序,2023/4/30,28,系统分析的方法论：霍尔三维结构,2023/4/30,29,公共管理的三维结构模式,2023/4/30,30,公共管理的霍尔管理矩阵,2023/4/30,31,系统分析的方法论：调查学习模式,良结构系统：指机理明显的系统，它可以用较明确的数学模型描述，有较现成的定量方法可以计

11、算出系统的行为和最佳结果，霍尔的“三维结构”模式主要适用于解决良结构的系统。不良结构系统：指机理尚不清楚的系统，它较难用数学模型描述，往往只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理问题，甚至要凭人的判断和直觉、因人而定。解决不良结构问题时难以求出最佳的定量结果。目前，常用的系统方法有专家调查法(德尔菲法，Delphi)、情景分析法(scenario)、冲突分析法(Conflict analysis)等。但是，从系统分析方法论角度看，切克兰德的“调查学习”方法具有更高的概括性。,2023/4/30,32,切克兰德“调查学习”模式流程图,2023/4/30,33,定性分析法：目标手段分析法,目

12、标一手段分析法，就是将要达到的目标和所需要的手段按照系统展开，一级手段等于二级目标，二级手段等于三级目标，依次类推，便产生了层次分明、相互联系又逐渐具体化的分层目标系统。在分解过程中，要注意使分解的分目标与总目标保持一致，分目标的集合一定要保证总目标的实现。分解过程中，分目标之间可能一致，也可能不一致，甚至是矛盾的，这就需要不断调整，使之在总体上保持协调。将总目标分解为若干个层次的分目标，需要有很大的创造性，要有丰富的科学技术知识与实践经验。目标分解需反复地进行，直到满意为止。,2023/4/30,34,控制能源消耗的目标手段分析,2023/4/30,35,定性分析法：因果分析法,因果分析法是

13、利用因果分析图来分析影响系统的因素，并从中找出产生某种结果的主要原因的一种定性分析方法。系统某一行为(结果)的发生，绝非一种或两种原因所致，往往是由于多种复杂因素的影响所致。为了分析影响系统的重要因素，找出产生某种结果的主要原因，系统分析人员广泛使用了一种简便而有效的定性分析方法 因果分析法。,2023/4/30,36,因果分析图,2023/4/30,37,用于分析产品质量问题的因果关系图,2023/4/30,38,定性分析法：KJ法,从很多具体信息中归纳出问题整体含义的一种分析方法。它的基本原理是，把每个信息做成卡片，将这些卡片摊在桌子上观察其全部，把有“亲近性”的卡片集中起来合成为子问题，

14、依次做下去，最后求得问题整体的构成。这种方法把人们对图形的思考功能与直觉的综合能力很好地结合起来，不需要特别的手段和知识，不论是个人或者团体都能简便地实行。,2023/4/30,39,KJ 法的实施步骤,尽量广泛地收集与问题可能有关的信息，并用关键的语句简洁地表达。一个信息做一张卡片，卡片上的标题记载要简明易懂。如果是团体实施，则要在记载前充分协商好内容，以防误解。把卡片摊在桌子上通观全局，充分调动人的直觉能力，把有“亲近性”的卡片集中到一起作为一个小组。给小组取个新名称，其注意事项同步骤(1)。这个小组是由小项目(卡片)综合起来的，应把它作为子系统来登记。这个步骤不仅要凭直觉，而且要运用综合

15、和分析能力发现小组的意义所在。重复步骤(3)和(4)，分别形成小组、中组和大组，但对难以编组的卡片不要勉强地编组，可把它们单独放在一边。把小组(卡片)放在桌子上进行移动，根据小组间的类似关系、对应关系、从属关系和因果关系等进行排列。将排列结果画成图表，即把小组按大小用粗细线框起来，把一个个有关系的框用“有向枝”(带箭头的线)连接起来，构成一目了然的整体结构图。观察结构图，分析其含义，取得对整个问题的明确认识。,应用举例,2023/4/30,41,基本情况,20世纪60年代未，美国纽约市负责全市供水的供水委员会拟定了一个扩建供水网的工程计划。全计划预计耗资10亿美元，分五阶段执行，全部竣工后可满

16、足40年后纽约市的人口增加25%时的需求。这个计划遭到了预算局的反对，它们认为供水委员会预估的人口增长率是过分的，和实际不符。但供水委员会想做出大成绩，一心坚持这种增长率是合理的，在这种情况下，预算局请麻省理工学院的系统分析人员对工程进行系统分析。经过分析提出的设计案，节约额为1亿美元，仅是技术上可节约节约额的2/3。,2023/4/30,42,纽约市供水系统现状,约市的自来水供给系统的组成：供水委员：负责直径25cm以上的管道，称为一级管道(即干线管道)；另一部门：负责直径15cm以下的管道，称为二级管道(把水送到用户的管道)。供水委员会的最初设计方案：增设80公里长的直径为71cm的一级管

17、道，预计耗资10亿美元，分5个阶段实施，寿命40年。,2023/4/30,43,纽约市供水网扩建工程的系统分析,系统分析的过程和方法：明确问题，划定系统范围；设立系统目标；收集资料；制定标准指标体系；拟定方案；建立分析模型；综合评价。,2023/4/30,44,系统分析明确问题,原始设计方案：只考虑供水网的地理几何布局；只有一个目标，即一级网络终端的自来水压力必须达到2.8kg/cm；工程的预计使用期限为40年；整个网络只依靠重力把水送到终端。,2023/4/30,45,系统分析明确问题,原始设计方案存在的问题：规定很随意、草率，没有考虑这些投资是否是系统中最需要的投资；工程目标过于单一化、绝

18、对化；没有将整个供水作为一个系统，供水部门之间没有相互配合从效果和费用的角度进行论证评价。,2023/4/30,46,系统分析明确问题,本次系统分析受到的制约和边界条件：设计所受到的制约有些是物理方面的，这些制约由传统工程设计师就可以很好地解决，然而有些制约是经济性的、社会性的，则需由系统分析师来处理。系统分析工作本身也受到许多制约。首先就是职权的制约。它只能起咨询作用，提出一些发人深思的问题，提出解决问题的最优方案。但是在实践过程中，很难实施技术上的最优方案，因为这些方案往往会遭到有关部门的反对，所以最后实施的往往只是一些为各有关部门均能接受的折中方案(或满意方案)。,2023/4/30,4

19、7,系统分析明确问题,最终的决策权：系统分析工作是纽约市预算当局要求搞的，他们想利用系统分析的结果来推迟审批供水委员会的工程设计计划。但是不论是预算当局，还是系统分析师，如果得不到供水委员会的同意，是无法提出一个完全不同的设计方案的，因为供水委员会垄断着工程设计所需的详细数据，并实际上拥有对其他计划的否决权。因此，在这种情况下，系统分析师也只能提出一个折中方案。,2023/4/30,48,系统分析制定目标,原先方案的目标：只有一个就是终端水压达到2.8kg/cm。但是作为一个供水系统，城市用水部门是多样的，不同的用户对供水系统的质量要求不同。大部分是工业用水；左右为家庭生活用水；少量的消防、城

20、市卫生、绿化用水。,2023/4/30,49,系统分析制定目标,新设定的系统目标：系统的总性能；市区用水的方便程度；供水的可靠性；基建和保持运行的总费用。,2023/4/30,50,系统分析确定准则,2023/4/30,51,系统分析创立方案,创立7大类250个方案。例如：关于系统的物理结构；关于系统的使用周期的划分；使用水泵加压还是加大水管来改进供水系统的性能等。,2023/4/30,52,系统分析方案的评审,麻省理工学院设计了一个综合土木工程系统模型，对250个备选方案进行了评审：利用费用-效果函数评估总成本和总性能；关于使用周期的确定。在经济规模和贴现率之间进行平衡，认为使用期为20年是

21、经济的，如有必要20年后调整；评估水泵加压方案。分析师们对使用重力和水泵加压两种方式，在作业费用和固定投资之间作最佳平衡。,2023/4/30,53,决定最佳使用期示意图-经济规模因子,2023/4/30,54,费用与管径的关系,2023/4/30,55,系统分析实施,实施的是一个折中方案：供水系统的布局沿用了最初的设计案；同最初设计一样，没有采用水泵；工程规模为原设计的3/5；水管直径为原设计的4/5，仅这一项节约1亿美元。第一期工程的总投资由3.23 亿美元降至2.23亿美元。,2023/4/30,56,总 结,由这个折中方案可以看出以下问题：整个系统线路布局没有改。这是为了照顾供水委员会

22、的威信，同时也达到了预算局节约费用的目标。本系统分析的任务只是澄清问题，提供所需的意见。这些意见能否发挥作用，取决于系统分析的质量和许多其它因素。系统工程是解决实际问题的有效方法，但是由于最终受决策者价值观念的影响，有时用系统分析后取得的实际成果来评价系统分析本身工作是不合适的。,2023/4/30,57,状态空间法,状态空间法是一种基于解答空间的问题表示和求解方法，它是以状态和操作符为基础的。在利用状态空间图表示时，从某个初始状态开始，每次加一个操作符，递增地建立起操作符的试验序列，直到达到目标状态为止。由于状态空间法需要扩展过多的节点，容易出现“组合爆炸”，因而只适用于表示比较简单的问题。

23、,2023/4/30,58,解释结构模型法（Interpretative Structural Modeling Method，简称ISM方法）,现代系统工程中广泛应用的一种分析方法，是结构模型化技术的一种。它是将复杂的系统分解为若干子系统要素，利用人们的实践经验和知识以及计算机的帮助，最终构成一个多级递阶的结构模型。此模型以定性分析为主，属于概念模型，可以把模糊不清的思想、看法转化为直观的具有良好结构关系的模型。特别适用于变量众多、关系复杂而结构不清晰的系统分析中，也可用于方案的排序等。它的应用面十分广泛，从能源问题等国际性问题到地区经济开发、企事业甚至个人范围的问题等。,2023/4/30,59,最小二乘估计法,计量经济学研究的直接目的是确定总体回归函数Yi=B1+B2Xi+ui,然而能够得到的知识来自总体的若干样本的观测值，要用样本信息建立的样本回归函数尽可能“接近”地去估计总体回归函数。为此，可以以从不同的角度去确定建立样本回归函数的准则，也就有了估计回归模型参数的多种方法。例如，用生产该样本概率最大的原则去确定样本回归函数，成为极大似然发展；用估计的剩余平反和的最小的原则确定样本回归函数。称为最小二乘估计法。,